仿鱼类胸鳍推进系统的实验与理论研究

论文摘要

鱼类利用胸鳍摆动在低速条件下具备良好的操纵性和稳定性,通过研究胸鳍的推进机理,将仿鱼类胸鳍推进系统应用到水下机器人载体上,实现精确定位与控制等性能要求,有着十分重要的意义。本论文利用哈尔滨工程大学研制的仿鱼类胸鳍推进试验平台,重点研究了胸鳍摆动的水动力性能。胸鳍推进系统主体由两个伺服电机控制系统组成,能够产生限定范围内的各种预定的摇翼运动和前后拍翼运动的组合,在本实验中采用的是正弦运动规律。本实验研究了不同耦合运动的相位差、摆动频率、摇翼幅值、拍翼幅值、摇翼偏角、拍翼偏角等参数对胸鳍水动力性能的影响,得到了各水动力系数在一个周期内随时间的变化趋势,并对实验结果和误差进行了分析。另外,本论文基于CFD方法计算了非定常流场中刚性胸鳍非对称摆动的水动力性能,并与实验值进行了比较。数值计算研究表明,在其它运动控制参数一定情况下,刚性胸鳍在某一相位差范围内的水动力性能可以到较佳的状态,并最后给出了胸鳍表面的压力云图和速度迹线分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 鱼类的推进方式
• 1.3 鱼类胸鳍推进机理
• 1.3.1 MPF波动推进
• 1.3.2 MPF摆动推进
• 1.4 仿鱼类胸鳍推进的研究现状
• 1.4.1 理论研究
• 1.4.2 实验研究
• 1.4.3 典型样机研究
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 仿胸鳍推进实验系统
• 2.1 推进系统的设计思想
• 2.2 推进装置的工作原理
• 2.3 伺服电机系统
• 2.4 测量系统
• 2.4.1 测力天平的测量原理
• 2.4.2 扭矩传感器的测量原理
• 2.5 控制系统
• 2.5.1 操作控制平台
• 2.5.2 运动规律的程序实现
• 2.6 刚性胸鳍设计
• 2.7 实验系统的安装
• 2.8 本章小结
• 第3章 水动力实验与分析
• 3.1 引言
• 3.2 坐标系统
• 3.3 实验数据处理
• 3.4 实验验证
• 3.4.1 验证装置稳定性
• 3.4.2 与加藤实验对比
• 3.5 水动力实验结果处理与分析
• 3.5.1 不带胸鳍的测量结果
• 3.5.2 相位差对胸鳍水动力性能的影响
• 3.5.3 频率对胸鳍水动力性能的影响
• 3.5.4 拍翼幅值对胸鳍水动力性能的影响
• 3.5.5 摇翼幅值对胸鳍水动力性能的影响
• 3.5.6 拍翼偏角对胸鳍水动力性能的影响
• 3.5.7 摇翼偏角对胸鳍水动力性能的影响
• 3.6 误差分析
• 3.6.1 测量系统的精度误差
• 3.6.2 电磁干扰
• 3.6.3 数据处理可能存在误差
• 3.7 本章小结
• 第4章 水动力数值计算
• 4.1 引言
• 4.2 胸鳍运动模型
• 4.2.1 坐标系统
• 4.2.2 胸鳍模型及计算区域
• 4.2.3 运动规律的实现
• 4.3 数值求解过程
• 4.3.1 边界条件
• 4.3.2 计算模式与控制参数
• 4.4 三维非结构动网格的实现
• 4.4.1 光顺网格
• 4.4.2 网格重绘
• 4.4.3 动网格区域设置
• 4.4.4 时间步长设置
• 4.4.5 预览网格运动
• 4.5 计算结果分析
• 4.6 不同参数对胸鳍运动的水动力性能的影响
• 4.6.1 相位差对胸鳍水动力性能的影响
• 4.6.2 频率对胸鳍水动力性能的影响
• 4.6.3 来流速度对胸鳍水动力性能的影响
• 4.6.4 拍翼偏角对胸鳍水动力性能的影响
• 4.6.5 摇翼偏角对胸鳍水动力性能的影响
• 4.7 典型运动状态胸鳍表面的压力分布和尾流场分析
• 4.7.1 胸鳍表面的压力分布云图
• 4.7.2 尾流场分析
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢